LHCb findet nach 42 Jahren Suche Hinweise auf seltenen B-Meson-Zerfall

Ein flüchtiges Signal unter Milliarden von Teilchenzerfällen

Das LHCb-Experiment am CERN hat anhand von Kollisionsdaten aus den Jahren 2024 und 2025 erstmals in einem einzelnen Experiment Hinweise auf den außerordentlich seltenen Zerfall eines neutralen B-Mesons in zwei Myonen gemeldet. Zusammen mit früheren Messungen erreicht das Signal eine statistische Signifikanz von 3,2 Standardabweichungen. Das reicht als Hinweis, liegt aber unter der Schwelle, die Physiker für eine Beobachtung verlangen.

Das Ergebnis, das die LHCb-Kollaboration am 3. November 2026 in ihrer Mitteilung bekannt gab, bringt eine Suche voran, die 1984 begann. Der Zerfall wird als B0 → μ+μ− geschrieben und auch Bd → μ+μ− genannt. Dabei wird ein Teilchen, das ein Bottom-Quark oder ein Bottom-Antiquark enthält, in ein Myon und sein Antiteilchen umgewandelt.

Das Standardmodell, die Theorie, die bekannte Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen beschreibt, sagt ungefähr einen solchen Zerfall auf zehn Milliarden B0-Meson-Zerfälle voraus. Gerade diese außergewöhnliche Seltenheit macht den Prozess nützlich: Ein bislang unentdecktes Teilchen könnte seine Wahrscheinlichkeit so stark verändern, dass ein präzises Experiment dies bemerkt.

LHCb meldete außerdem seine bisher präzisesten Messungen der Wahrscheinlichkeit und der effektiven Lebensdauer eines verwandten Zerfalls, Bs0 → μ+μ−. Beide Ergebnisse stimmen mit dem Standardmodell überein. Zusammen ermöglichen sie Forschern eine genauere Prüfung von Theorien, die Teilchen jenseits der bislang bekannten vorschlagen.

Was genau verschwindet?

B-Mesonen sind kurzlebige Teilchen aus einem Quark und einem Antiquark. B0 und Bs0 gehören zur selben Familie, unterscheiden sich aber in ihren leichteren Quarkbestandteilen: Bei einem ist ein Down-Quark beteiligt, beim anderen ein Strange-Quark. Durch ihre unterschiedliche Zusammensetzung unterscheiden sie sich darin, wie häufig sie ein Myonenpaar erzeugen können.

Ein Myon ist ein Elementarteilchen, das einem Elektron ähnelt, aber schwerer ist. Die beiden Myonen in diesen Zerfällen tragen entgegengesetzte elektrische Ladungen. Forscher suchen nach ihren Spuren und nutzen die gemessenen Eigenschaften, um die Masse des Teilchens zu rekonstruieren, aus dem sie entstanden sind.

Das Standardmodell sagt den Bs0-Zerfall etwa dreimal pro Milliarde Zerfälle voraus, also ungefähr 30-mal häufiger als den B0-Prozess. Diese Wahrscheinlichkeiten, Verzweigungsverhältnisse genannt, geben an, welcher Anteil einer bestimmten Mesonenart einen bestimmten Zerfallsweg nimmt. Die meisten B-Mesonen zerfallen auf andere Weise. Dadurch ist das gesuchte Signal unter einer sehr viel größeren Zahl von Teilchen verborgen.

Warum das als Hinweis gilt

Allein mit der Stichprobe aus den Jahren 2024 und 2025 ermittelte LHCb eine Signifikanz von drei Standardabweichungen. Durch die Einbeziehung von Daten aus Run 1 und Run 2, den früheren Betriebsphasen des Large Hadron Collider, stieg der Wert auf 3,2.

Die statistische Signifikanz misst, wie stark die Daten ein Signal gegenüber einer Erklärung stützen, die ausschließlich auf Untergrund beruht. Ein höherer Wert bedeutet, dass eine zufällige Schwankung des Untergrunds mit geringerer Wahrscheinlichkeit ein mindestens ebenso auffälliges Ergebnis hervorbringen würde. Teilchenphysiker verwenden üblicherweise drei Standardabweichungen als Schwelle für einen Hinweis und fünf für eine Beobachtung.

Die Formulierung der Kollaboration ist bewusst präzise: Es handelt sich um den ersten Hinweis aus einem einzelnen Experiment auf B0 → μ+μ−. Eine gemeinsame Analyse von LHCb und CMS hatte bereits 2015 Hinweise gemeldet, spätere Analysen bestätigten diese frühere Andeutung jedoch nicht.

Die neue Messung bringt die Suche mit einem frischen Datensatz wieder über die Schwelle für einen Hinweis. Das nächste statistische Ziel sind fünf Standardabweichungen. LHCb nannte keinen Zeitpunkt, zu dem dieser Wert erreicht werden könnte.

Eine Suche von 1984 bis 2026

Forscher haben diese seltenen Zerfälle über mehrere Generationen von Experimenten hinweg untersucht. Der häufigere Bs0-Prozess erreichte zuerst die Beobachtungsschwelle und legte damit die Grundlage für die schwierigere Suche nach dem B0-Zerfall.

• 1984: Die Suche nach B0 → μ+μ− beginnt.
• November 2012: LHCb meldet Hinweise auf Bs0 → μ+μ− mit 3,5 Standardabweichungen.
• Mai 2015: Eine gemeinsame Analyse von LHCb und CMS beobachtet den Bs0-Zerfall mit 6,2 Standardabweichungen und meldet eine erste Andeutung des B0-Zerfalls.
• Februar 2017: LHCb beobachtet den Bs0-Zerfall allein mit 7,8 Standardabweichungen.
• Spätere Analysen mit Daten, die bis 2018 erhoben wurden, bestätigen die frühere Andeutung zum B0-Zerfall nicht.
• 2024 und 2025: LHCb erhebt die neuen Daten, die in der jüngsten Analyse verwendet werden.
• 3. November 2026: LHCb meldet Hinweise auf den B0-Zerfall mit drei Standardabweichungen in der neuen Stichprobe und mit 3,2 bei Einbeziehung früherer Betriebsphasen.

Die Vorgeschichte erklärt, warum Forscher sorgfältig zwischen Hinweisen und Beobachtungen unterscheiden. Ein vielversprechendes Signal muss mit weiteren Daten überprüft werden. Spätere Messungen können es bestätigen oder unter die anerkannte Schwelle sinken lassen.

Wie der Detektor die Myonenpaare findet

Der modernisierte LHCb-Detektor erfasst Daten mit etwa fünffacher Rate im Vergleich zu den Jahren 2010 bis 2018. Bei einem Prozess, der voraussichtlich nur einmal unter zehn Milliarden B0-Zerfällen auftritt, ist es entscheidend, mehr verwertbare Kollisionen aufzuzeichnen.

Der Vertex Locator, kurz VELO, hilft dabei, den Entstehungs- und Zerfallsort von Teilchen zu bestimmen. Der von der University of Liverpool montierte Detektor befindet sich nur fünf Millimeter vom LHC-Strahl entfernt. Seine präzise Spurvermessung ermöglicht es Forschern, die Zerfallspunkte von Teilchen zu lokalisieren, die nur einen winzigen Bruchteil einer Sekunde überdauern.

Maschinelles Lernen hilft dabei, vielversprechende Myonenpaare vom Untergrund zu trennen, also von den vielen anderen Prozessen, die ähnliche Spuren oder Teilchenkombinationen erzeugen. Anschließend untersuchen die Forscher die invariante Masse jedes Paars. Diese aus Energie und Impuls der Myonen berechnete Größe kann die Masse des Mutterteilchens erkennen lassen.

In der Massenverteilung ist ein sichtbarer Beitrag von Bs0-Zerfällen zu erkennen sowie ein kleinerer Beitrag bei der niedrigeren B0-Masse. LHCb passt die Signale gemeinsam mit dem Untergrund an, um abzuschätzen, wie viele Zerfälle jeder Art vorliegen.

Die Produktion von B0-Mesonen bietet einen nützlichen Vorteil. Nach Angaben von LHCb erzeugt der Collider etwa vier B0-Mesonen auf jedes Bs0-Meson. Ein einzelnes B0-Meson zerfällt zwar rund 30-mal seltener in zwei Myonen, doch durch seine größere Häufigkeit schrumpft der erwartete Unterschied bei der Zahl der Ereignisse auf ungefähr den Faktor sieben. Dieser Vergleich erklärt, wie der seltenere Prozess in einem ausreichend großen Datensatz zugänglich wird.

Was das Ergebnis über unbekannte Teilchen aussagt

Das Standardmodell liefert präzise Vorhersagen für die Wahrscheinlichkeiten beider Zerfälle. Theorien, die über das Standardmodell hinausgehen, können diese Vorhersagen verändern, indem sie Teilchen einführen, die den Zerfall beeinflussen, selbst wenn diese Teilchen nicht direkt als sichtbare Objekte im Detektor erzeugt werden.

LHCb nennt zusätzliche Higgs-Bosonen, Z′-Vektorbosonen und Leptoquarks als Beispiele. Dabei handelt es sich um vorgeschlagene Teilchen aus verschiedenen Erweiterungen der Theorie. Ihr möglicher Einfluss macht seltene Zerfälle zu einer indirekten Möglichkeit, nach Physik bei Energien zu suchen, die über die direkte Reichweite eines bestimmten Kollisions-Experiments hinausgehen.

Die LHCb-Kollaboration, die das Experiment betreibt und die Analyse durchgeführt hat, beschrieb die jüngsten Messungen so:

Die heute bekannt gegebenen Ergebnisse stimmen mit dem Standardmodell überein und grenzen den Parameterbereich, in dem diese neuen Modelle existieren können, noch genauer ein.

Dadurch werden die Kombinationen vorgeschlagener Teilchenmassen und Wechselwirkungsstärken eingegrenzt, die noch mit dem Experiment vereinbar sind. In LHCbs gemeinsamer Analyse der beiden Verzweigungsverhältnisse liegt die Vorhersage des Standardmodells innerhalb des 68,27-Prozent-Konfidenzbereichs, der die Unsicherheit der Messung ausdrückt.

Warum die Messung der Lebensdauer eine weitere Prüfung ermöglicht

LHCb maß auch die effektive Lebensdauer von Bs0-Mesonen, die in Myonenpaare zerfallen. Unter Einbeziehung der Daten aus Run 1, Run 2 und Run 3 ergab sich ein Wert von 1,60 ± 0,16 ± 0,01 Pikosekunden, der mit der Vorhersage des Standardmodells übereinstimmt.

Eine Pikosekunde ist der billionste Teil einer Sekunde. Die erste Unsicherheit beschreibt die statistischen Grenzen der Messung; die zweite erfasst systematische Effekte, die mit der Durchführung der Messung zusammenhängen. Die statistische Unsicherheit ist deutlich größer und zeigt, warum zusätzliche Daten wertvoll sein können.

Die effektive Lebensdauer beschreibt den zeitlichen Verlauf der Zerfälle in der ausgewählten Bs0-Stichprobe. Einige vorgeschlagene Erweiterungen des Standardmodells können die Gesamtwahrscheinlichkeit, dass zwei Myonen entstehen, nahezu unverändert lassen und zugleich verändern, wie sich diese Zerfälle über die Zeit verteilen. Die Häufigkeit und den zeitlichen Verlauf zu messen, prüft deshalb mehr Möglichkeiten, als nur die Zerfälle zu zählen.

Das Verhältnis der Verzweigungsverhältnisse von B0 und Bs0 ermöglicht einen weiteren Vergleich. Eine vorgeschlagene Theorie muss sowohl die Beziehung zwischen den beiden Prozessen als auch ihre jeweiligen Raten erklären. Mit den neuesten Ergebnissen führt LHCb diese getrennten Prüfungen in einer Analyse zusammen.

Wie es bei der Erforschung kleinster Skalen weitergeht

LHCb reichte die neuen Ergebnisse zur Veröffentlichung ein und stellte sie bei einem CERN-Seminar vor, das einen Workshop zwischen der Kollaboration und theoretischen Physikern eröffnete. Die unmittelbare experimentelle Aufgabe besteht darin, genügend zusätzliche Hinweise zu sammeln, um das B0-Signal näher an die Beobachtungsschwelle zu bringen und seine Wahrscheinlichkeit präziser zu messen.

Eine weitere Modernisierung von LHCb könnte Mitte des nächsten Jahrzehnts die Datenerfassungsrate um eine weitere Größenordnung erhöhen, also etwa verzehnfachen, wie die Kollaboration angibt. Das würde anspruchsvollere Prüfungen anhand beider seltenen Zerfälle ermöglichen.

Der Begriff „Zeptoverse“ bezeichnet die extrem kleinen Abstände, die Forscher mit solchen Präzisionsmessungen untersuchen wollen. Ein Zeptometer ist der tausendste Teil eines Billionstels eines Meters. Seltene Zerfälle bieten einen indirekten Weg, um Effekte zu untersuchen, die mit sehr kleinen Abständen und hohen Energien verbunden sind.

Dunkle Materie und der Ursprung des Überschusses von Materie gegenüber Antimaterie im Universum sind weiter gefasste Beweggründe für die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells. Der hier bekannt gegebene Befund ist enger gefasst und konkret: Ein seltener, von der bestehenden Theorie vorhergesagter Zerfall hat die Schwelle für einen Hinweis erreicht. Sein gemessenes Verhalten grenzt zugleich die möglichen Alternativen weiter ein.

Wichtige Punkte

• LHCb meldete erstmals Hinweise aus einem einzelnen Experiment auf B0 → μ+μ−. Die Suche begann 1984.
• Die Daten aus den Jahren 2024 und 2025 erreichen drei Standardabweichungen; zusammen mit früheren Betriebsphasen steigt die Signifikanz auf 3,2.
• Das Standardmodell sagt ungefähr einen solchen Zerfall auf zehn Milliarden B0-Zerfälle voraus.
• Die neuen Messungen stimmen mit dem Standardmodell überein und grenzen die möglichen Eigenschaften zusätzlicher Teilchen ein.
• LHCb maß für den verwandten Bs0-Zerfall eine effektive Lebensdauer von 1,60 ± 0,16 ± 0,01 Pikosekunden.
• Für eine Beobachtung des B0-Zerfalls bleibt eine Signifikanz von fünf Standardabweichungen das Ziel.